葉片沖蝕熱態(tài)試驗(yàn)風(fēng)洞系統(tǒng)研制

傅 駿， 丁志穎， 魯嘉華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

0 引 言

含塵透平出現(xiàn)在整體煤氣化(IGCC)、增壓流化床(PFBC)聯(lián)合循環(huán)等新型能源動(dòng)力裝置中，其較高的可靠性及較大的效率使其在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)作為工業(yè)過程余熱再利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置，對(duì)提升企業(yè)能源利用效率起到了重要作用。改革開放30 年來，累計(jì)生產(chǎn)的煙氣輪機(jī)共節(jié)電約275×108kW·h，價(jià)值約合138億元，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀[1]。

固體顆粒沖蝕是指固體以松散的小顆粒，按一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的材料損耗現(xiàn)象或過程現(xiàn)象。含塵工質(zhì)雖在進(jìn)入透平前已經(jīng)過濾掉大直徑顆粒，但是進(jìn)入透平后仍然含有5 μm以上的微小顆粒，會(huì)對(duì)透平葉片產(chǎn)生較大程度的磨損和破壞，這種現(xiàn)象普遍存在于電力、機(jī)械、鋼鐵、航空、化工等行業(yè)之中，已成為產(chǎn)品氣動(dòng)性能下降和設(shè)備失效的重要原因之一[2-3]。從而對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性帶來嚴(yán)重影響。

國內(nèi)外關(guān)于含塵透平葉片抗沖蝕能力的研究分為試驗(yàn)研究[4-9]和數(shù)值模擬研究[10-11]。由于氣固兩相流的復(fù)雜性，數(shù)值模擬研究存在明顯的缺陷，而關(guān)于沖蝕試驗(yàn)的范圍現(xiàn)階段仍較窄，目標(biāo)分散，對(duì)葉片材質(zhì)、涂層、表面處理工藝等抗沖蝕性能的了解仍相當(dāng)有限。本文設(shè)計(jì)出一種有效的試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)持續(xù)開展葉片在復(fù)雜工況下抗沖蝕磨損的試驗(yàn)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 熱態(tài)試驗(yàn)風(fēng)洞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)由加塵系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)和引風(fēng)系統(tǒng)等機(jī)械系統(tǒng)組成，并配用相應(yīng)的控制系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和儀器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

加塵系統(tǒng)由空氣電加熱器、顆粒加料器組成。為達(dá)到所需要的高溫氣體，并且滿足空氣干燥無水分、不燃燒、不爆炸、安全的設(shè)計(jì)要求，空氣電加熱器為工作溫度可達(dá)450℃，設(shè)計(jì)壓力1 MPa的電阻合金絲制電加熱器，其效率可達(dá)90%以上，且升溫、降溫速率快，達(dá)10℃/s，溫度調(diào)節(jié)方便，穩(wěn)定性好。顆粒加料器選用星形給料閥，給料轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，以控制氣固兩相流濃度。每次試驗(yàn)之前，用干燥箱對(duì)顆粒進(jìn)行除潮烘干處理，使顆粒無黏滯阻塞，確保氣體含塵濃度穩(wěn)定。

熱交換系統(tǒng)由換熱器以及水泵組成，確保試驗(yàn)段后的含塵氣體溫度至除塵器前達(dá)到安全的溫度。

引風(fēng)系統(tǒng)為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)提供氣流流動(dòng)的動(dòng)力，引風(fēng)電機(jī)通過一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，調(diào)節(jié)風(fēng)道內(nèi)的含塵氣流速度和濃度，使之滿足不同沖蝕條件下的試驗(yàn)。采用引風(fēng)系統(tǒng)的最大好處是確保微米級(jí)的顆粒在試驗(yàn)段前能順利進(jìn)入風(fēng)洞，并與氣流充分均勻地混合，達(dá)到要求工況下含塵氣流的效果。其較好地解決了在正壓送風(fēng)系統(tǒng)下，顆粒由于風(fēng)洞內(nèi)氣壓大于外界大氣壓而難以進(jìn)入風(fēng)洞的缺陷[12]。主要設(shè)備的性能參數(shù)如下。引風(fēng)機(jī)：功率7.5 kW，轉(zhuǎn)速1 650 r/min，極限壓力49 kPa，進(jìn)口流量 4 m3/min。電加熱器：功率62 kW，設(shè)計(jì)壓力1 MPa，工作溫度0～450℃，升降溫速率10℃/s。干燥箱：功率1.5 kW，最高工作溫度300℃。水泵：功率0.75 kW，流量4 m3/h。

試驗(yàn)系統(tǒng)由入口段、穩(wěn)定段、試驗(yàn)段、降溫段和排出段構(gòu)成，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。風(fēng)道的橫截面積在穩(wěn)定段入口處收縮，前后橫截面積的收縮比設(shè)計(jì)成16∶1，以滿足含塵氣流進(jìn)入試驗(yàn)段達(dá)到足夠的沖蝕速度。電加熱器對(duì)入口段空氣加熱，試驗(yàn)用粒子在穩(wěn)定段與氣體混合加熱并與氣體一并加速提升至試驗(yàn)所需的沖蝕速度。在試驗(yàn)段中，含塵氣流對(duì)試件進(jìn)行熱態(tài)沖蝕，其中，試件的沖蝕角度在試驗(yàn)段中通過專門的卡盤進(jìn)行切換，在0～90°范圍內(nèi)設(shè)計(jì)有18個(gè)相應(yīng)卡位，如圖2所示。試件與氣流噴嘴之間的距離亦可調(diào)節(jié)[13]，以適應(yīng)不同大小試件表面上氣固兩相流體覆蓋的均勻性。在降溫段，熱交換系統(tǒng)用以降低試驗(yàn)氣流的溫度。含塵氣流進(jìn)入除塵器除去顆粒后，獲得符合排放要求的氣流，通過引風(fēng)機(jī)排入大氣。

圖1 熱態(tài)試驗(yàn)風(fēng)洞系統(tǒng)示意圖

圖2 沖蝕角度調(diào)節(jié)卡盤

本試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)條件為Ma<0.3，試驗(yàn)系統(tǒng)提供的穩(wěn)定沖蝕溫度可達(dá)400℃，不可壓縮氣流試驗(yàn)段的速度可達(dá)156 m/s，對(duì)多種葉片材質(zhì)，粒徑0.02～0.20 mm范圍內(nèi)的粒子可進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)

由于整個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)儀表、多個(gè)采集模塊,以及天平、流量計(jì)、液位計(jì)、風(fēng)速儀等多數(shù)量、多類型、多種協(xié)議規(guī)約的通訊設(shè)備，鑒于這種情況，系統(tǒng)選用一個(gè)串口服務(wù)器，將這些設(shè)備按類型、按規(guī)約協(xié)議、按數(shù)量分區(qū)連接控制；然后再將服務(wù)器通過TCP/IP協(xié)議與PC上位機(jī)進(jìn)行通訊連接。

監(jiān)控主機(jī)采用工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場使用較多的知名品牌(臺(tái)灣研華)主機(jī)；上位監(jiān)控軟件平臺(tái)為國內(nèi)使用范圍較廣的組態(tài)軟件(MCGS)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備的布局、安裝、使用的特點(diǎn)，開發(fā)出合適、實(shí)用、方便的監(jiān)控分析系統(tǒng)(監(jiān)控組態(tài)界面如圖3所示)。

本試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)主要采集了如下傳感器類型的數(shù)據(jù)：壓力(8路)、溫度(10路)、流量(1個(gè))、液位計(jì)(1個(gè))、壓力風(fēng)速儀(1個(gè))、天平重量數(shù)據(jù)(1個(gè))等，各種傳感器類型數(shù)據(jù)的詳細(xì)描述如下。

圖3 熱態(tài)沖蝕試驗(yàn)系統(tǒng)MCGS組態(tài)界面

壓力變送器與溫度傳感器所采集的為模擬信號(hào)且元器件本身不帶有通訊模塊，因此選用ADAM的數(shù)模轉(zhuǎn)換器若干, 把測量系統(tǒng)中的壓力和溫度的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)通訊在人機(jī)界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。換熱器配有單獨(dú)的控制箱用以控制其運(yùn)行和停止。所選用的變頻器、液位計(jì)以及流量計(jì)帶有RS-485通訊接口可與服務(wù)器直接相接。8個(gè)壓力變送器及10個(gè)溫度傳感器分別配有相應(yīng)的儀表，有些儀表帶有RS-485通訊接口可通過串口服務(wù)器與計(jì)算機(jī)通訊，有些則需要通過帶有通訊功能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器再與服務(wù)器相連。

選用ADAM4520、ADAM4050、ADAM4017、ADAM4080、ADAM4051各1臺(tái)。其中，ADAM4520 為RS-232轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器模塊，由于選用的壓力風(fēng)速儀的通訊輸出為RS-232接口，因此通過ADAM4520串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器把風(fēng)速儀的通訊輸出轉(zhuǎn)為RS-485接口并與串口服務(wù)器相接；ADAM4050 為數(shù)字量輸入與輸出模塊并帶有RS-485通訊接口，用以計(jì)算機(jī)控制為電加熱器提供電源的動(dòng)力柜的運(yùn)行與停止；ADAM4017為8通道模擬量輸入模塊并帶有RS-485通訊接口，用于不帶通訊功能的儀表與串口服務(wù)器相接而和計(jì)算機(jī)通訊；ADAM4080 32位計(jì)數(shù)器，并帶有RS-485通訊接口，可用于測量頻率，在本試驗(yàn)臺(tái)中用以測量星形給料閥中給料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出結(jié)果通過串口服務(wù)器與計(jì)算機(jī)通訊；ADAM4051提供16路隔離數(shù)字量輸入，用以給定計(jì)算機(jī)儀器工作的反饋信息，如卡盤上試件的18個(gè)沖蝕角度等。

3 試驗(yàn)方案

3.1 選用的試驗(yàn)方案

利用線切割把試驗(yàn)材料制成幾何尺寸為20 mm×20 mm×2 mm的試件，試驗(yàn)時(shí)放入試驗(yàn)段內(nèi)的試件座，把試件固定，且不易損壞試件，露出約15 mm直徑的沖蝕面積。試件座在試驗(yàn)段內(nèi)可調(diào)節(jié)角度，以達(dá)到?jīng)_蝕試驗(yàn)在0°～90°范圍內(nèi)進(jìn)行。

需要說明的有兩點(diǎn)：① 通過調(diào)節(jié)氣流噴嘴與試件之間的節(jié)距，可以保證試件受沖蝕的截面上含塵氣流覆蓋的均勻程度，節(jié)距因試件受沖蝕面積可作變化[12]。② 顆粒沖擊速度的估算：由于條件限制，在沖蝕試驗(yàn)裝置中未能配備測量顆粒速度的儀器，因此顆粒速度只能通過顆粒動(dòng)量方程進(jìn)行估算，顆粒流道簡化圖如圖4所示[14]。

圖4 顆粒流道簡化示意圖

估算中，假定顆粒是球型的，只考慮顆粒與氣體之間的速度滑移導(dǎo)致的Stokes阻力。在顆粒濃度較低，忽略顆粒間相互碰撞及顆粒對(duì)氣體相的能量輸運(yùn)(單向耦合)，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，得到一維顆粒動(dòng)量方程：

(1)

式中:tp是顆粒馳豫時(shí)間；vg是氣體速度；vp是顆粒速度；Rep是顆粒雷諾數(shù)；f(Rep)是較高雷諾數(shù)時(shí)，對(duì)阻力系數(shù)的修正關(guān)系式。分別表為:

將式(4)改寫成對(duì)空間坐標(biāo)的表達(dá)式，有

(5)

式中,x代表試驗(yàn)裝置中顆粒的流動(dòng)方向。估算結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)段入口處顆粒速度估算值

試件沖蝕前后分別用超聲波清洗機(jī)清洗、吹干，并記錄試件試驗(yàn)前的質(zhì)量與沖蝕試驗(yàn)后的質(zhì)量。稱重儀器選用精度為0.01 mg的天平，為了消除環(huán)境因素及人為因素對(duì)稱重的誤差影響，每次稱重反復(fù)進(jìn)行3次并求平均值，在相同試驗(yàn)條件下(特定溫度、速度、攻角、顆粒粒徑性狀等)反復(fù)進(jìn)行6次試驗(yàn)。

含塵氣流中一般顆粒直徑分布在5～ 135 μm[15]，本試驗(yàn)采用中位直徑為70 μm的石英砂顆粒。本文對(duì)氣輪機(jī)葉片常用基材X20Cr13，及其鋼丸表面強(qiáng)化處理后的試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。含塵氣流中的顆粒質(zhì)量濃度為0.22%，試驗(yàn)段氣流速度為130 m/s，溫度為300℃，環(huán)境相對(duì)濕度≤35%。分別在9個(gè)沖蝕角度下試驗(yàn)基材與強(qiáng)化工藝下材質(zhì)的沖蝕特性。

3.2 沖蝕質(zhì)量損失

本試驗(yàn)臺(tái)在氣固兩相流體對(duì)葉片的沖蝕結(jié)果分析上主要體現(xiàn)在試件在沖蝕前后質(zhì)量的變化，方程如下：

Δm=m0-m

(6)

式中：m0為試件沖蝕前的質(zhì)量；m為試件沖蝕后的質(zhì)量；Δm為試件沖蝕后的質(zhì)量損失。

多次測量相同條件下沖蝕后的質(zhì)量變化，可以繪制出試驗(yàn)曲線，通過比較在不同工況下進(jìn)行試驗(yàn)所繪制的曲線，可以得出葉片質(zhì)量減少即磨損和破壞達(dá)到最大時(shí)的工況條件(溫度、速度、沖蝕角度、粒子性狀和粒徑等)，為數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。

4 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)重點(diǎn)觀察累積顆粒沖蝕下的材質(zhì)失重。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)沖蝕角度做6次相同工況下的試驗(yàn)，每次試驗(yàn)稱重記錄3次，求其算術(shù)平均值，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合。圖5是X20Cr13基材在不同沖蝕角度下質(zhì)量累積損失隨沖蝕顆粒質(zhì)量變化的特性曲線。結(jié)果表明，X20Cr13在上述工況下，熱態(tài)沖蝕后的質(zhì)量累積損失與石英砂質(zhì)量之間存在線性相關(guān)關(guān)系，隨著石英砂質(zhì)量的增加，失重越發(fā)明顯。圖6是經(jīng)過表面鋼丸強(qiáng)化后的X20Cr13試件質(zhì)量累積損失與沖蝕顆粒質(zhì)量之間的關(guān)系曲線，亦為材質(zhì)失重隨沖蝕顆粒質(zhì)量增加而增加的線性相關(guān)關(guān)系。

圖5 基材試件累積失重與顆粒質(zhì)量的關(guān)系

圖7為不同沖蝕角度下，基材與強(qiáng)化試件累積質(zhì)量損失與各沖蝕角度之間的關(guān)系曲線。基材質(zhì)量損失的最大角度出現(xiàn)在30°左右，而強(qiáng)化試件最大質(zhì)量損失出現(xiàn)在攻角為20°左右，兩種試件均呈塑性材質(zhì)的特性。在25°～40°范圍內(nèi)，強(qiáng)化試件較基材沖蝕質(zhì)量損失明顯減小，表明此強(qiáng)化工藝對(duì)提升抗沖蝕能力有幫助，其它沖角下，兩種材質(zhì)抗沖蝕能力接近。

圖6 強(qiáng)化試件累積失重與顆粒質(zhì)量的關(guān)系

圖7 不同沖角下試件失重曲線

5 結(jié) 語

試驗(yàn)表明，該試驗(yàn)風(fēng)洞系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其參數(shù)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)方便，環(huán)保安全，噪聲達(dá)標(biāo)，可以滿足一般工況下的燃?xì)馔钙綑C(jī)械中葉片的熱態(tài)抗沖蝕能力試驗(yàn)研究?；谠撛囼?yàn)風(fēng)洞的沖蝕試驗(yàn)為選用更為優(yōu)質(zhì)的葉片基材、表面強(qiáng)化工藝和葉片涂層提供了有效的手段。

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